蘇國(guó)強(qiáng)

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭煤礦，山西 古交 030200)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)煤炭資源儲(chǔ)量大國(guó)，常年來我國(guó)的煤炭產(chǎn)量一直位居世界前列。由于煤炭資源屬于不可再生資源，所以隨著開采時(shí)間的不斷增大，易開采的煤層存量已經(jīng)不多，煤層的開采已經(jīng)逐步從易開采煤層向難開采煤層轉(zhuǎn)變。堅(jiān)硬頂板難垮難落一直是我國(guó)礦山面臨的重要難題，由于堅(jiān)硬頂板難垮難落造成大面積的懸頂，懸頂一旦垮落會(huì)造成巨大的沖擊地壓，對(duì)煤礦的機(jī)械設(shè)備和人員安全造成極大的威脅。同時(shí)大面積的懸頂會(huì)加大護(hù)巷煤柱的尺寸，降低了煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。所以對(duì)堅(jiān)硬頂板的治理十分重要。此前,史先鋒[1]等對(duì)沖擊地壓進(jìn)行研究，通過分析沖擊地壓的形式，提出了削弱靜載荷、降低動(dòng)載荷、增加巷道的抗沖能力、對(duì)沖擊危險(xiǎn)性的監(jiān)測(cè)進(jìn)行預(yù)警，通過這4個(gè)方案對(duì)沖擊地壓進(jìn)行了治理。段宏飛[2]等采用室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)對(duì)不同預(yù)制裂縫角下的和注液速率下的壓裂進(jìn)行了研究,對(duì)治理堅(jiān)硬頂板提供了一定的理論支持。李躍文[3]等通過理論研究和礦震的監(jiān)測(cè)得出了堅(jiān)硬頂板和采掘擾動(dòng)及斷層構(gòu)造對(duì)巷道的掘進(jìn)過程沖擊災(zāi)害的影響，并提出了切頂卸壓來治理堅(jiān)硬頂板的方法。王康[4]等對(duì)特厚煤層堅(jiān)硬頂板下綜放面的煤柱預(yù)留情況進(jìn)行了研究，通過理論分析和數(shù)值模擬對(duì)煤柱的寬度進(jìn)行分析，針對(duì)堅(jiān)硬頂板的煤柱設(shè)定提供了方案。為此，以馬蘭煤礦18301工作面為研究背景，通過切頂卸壓對(duì)堅(jiān)硬頂板的治理方式探索，以期提出相應(yīng)的解決方案。

1 切頂卸壓數(shù)值模擬

馬蘭煤礦南五下組煤采區(qū)輔助運(yùn)輸下山、910水平東大巷已服務(wù)近20 a，受南五下組煤采區(qū)工作面回采影響，巷道多次受壓。由于巷道的煤柱松軟造成巷道大變形，其中兩幫的變形量最高可達(dá)2 m。18301工作面在回采完成后，受到工作面的動(dòng)壓影響，部分18301工作面段的巷道變形較為嚴(yán)重，所以計(jì)劃在18301和18504的兩個(gè)工作面回采及末采期間，采用深孔爆破技術(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行預(yù)裂。

1.1 建立模型

為了研究不同停采線的煤柱寬度對(duì)巷道的影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)此進(jìn)行分析。并為了保護(hù)巷道的穩(wěn)定性，對(duì)巷道頂板進(jìn)行切頂卸壓，建立模型的尺寸為140 m×2 m×100 m，約束模型的邊界，限制模型的XY的方向位移。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的劃分對(duì)計(jì)算的精確性有著較大的關(guān)聯(lián)，若模型的網(wǎng)格劃分過細(xì)，模型計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，模型網(wǎng)格劃分較少時(shí)，模型的精確性大打折扣[5-7]，所以建立切頂和未切頂模型網(wǎng)格劃分示意圖，如圖1所示。根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況對(duì)模型各層參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型的上端部進(jìn)行載荷設(shè)定，根據(jù)上覆巖層的屬性計(jì)算出載荷設(shè)定為7.4 MPa。

圖1 切頂和未切頂模型

1.2 模擬結(jié)果分析

煤柱寬度為20 m：圖2為切頂卸壓和未切頂卸壓的頂板底板兩幫變形量。為了研究切頂和未切頂?shù)膰鷰r變形量，從圖中可看出，在選定巷道的支護(hù)煤柱寬度為20 m的前提下，在未進(jìn)行切頂模擬中，左幫的移近量最大值為150 mm，右?guī)偷囊平孔畲笾禐?65 mm，所以兩幫的移近量為315 mm，巷道的頂板下沉量為178 mm，最大的底鼓量為36 mm。而從進(jìn)行了切頂卸壓的模型模擬的結(jié)果可以看出，左幫的移近量最大值為112 mm，右?guī)偷囊平孔畲笾禐?32 mm，所以兩幫的移近量為244 mm，巷道的頂板下沉量為148 mm，最大的底鼓量為31 mm。對(duì)比可以看出切頂卸壓后的巷道變形量明顯較小，兩幫的移近量減少了71 mm約為23%，頂板和底板的移近量減少了16%，所以切頂卸壓可以有效地減小巷道的變形量，減少巷道的支護(hù)成本，增加煤礦的經(jīng)濟(jì)效益[8-10]。

圖2 切頂和未切頂?shù)南锏雷冃瘟?20 m)

煤柱寬度為30 m：為了對(duì)比不同護(hù)巷煤柱尺寸下的巷道變形，在選定巷道支護(hù)煤柱寬度為30 m的前提下，在未進(jìn)行切頂模擬中，左幫的移近量最大值133 mm，右?guī)偷囊平孔畲笾?30 mm，所以兩幫的移近量為263 mm，巷道的頂板下沉量為145 mm，最大的底鼓量為37 mm，巷道的支護(hù)煤柱30 m下的切頂和未切頂?shù)淖冃瘟?，如圖3所示。從進(jìn)行了切頂卸壓的模型模擬的結(jié)果可以看出，左幫的移近量最大值為109 mm，右?guī)偷囊平孔畲笾禐?10 mm，所以兩幫的移近量為219 mm，巷道的頂板下沉量為110 mm，最大的底鼓量為24 mm。對(duì)比可以看出切頂卸壓后的巷道變形量明顯較小，兩幫的移近量減少了44 mm約為17%，頂板和底板的移近量減少了26%。對(duì)比不同護(hù)巷煤柱的寬度下的巷道變形量可以看出，隨著支護(hù)煤柱尺寸的增大巷道變形量明顯減少。在未切頂?shù)南锏滥M情況下，較煤柱尺寸20 m的煤柱，煤柱寬度30 m的煤柱巷道的兩幫移近量減少了52 mm，頂板底板的移近量減少了32 mm，而在切頂卸壓后的兩幫移近量減少了25 mm，可以看出經(jīng)過切頂卸壓后的巷道變形量從煤柱的寬度20 m到煤柱寬度30 m的效果有了明顯的下降，所以治理巷道變形不能一味的加大煤柱的寬度，應(yīng)當(dāng)取煤柱的寬度和切頂卸壓的合理值[11-13]。

圖3 切頂和未切頂?shù)南锏雷冃瘟?30 m)

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

2.1 支承壓力監(jiān)測(cè)

選取馬蘭煤礦現(xiàn)場(chǎng)巷道進(jìn)行支承壓力監(jiān)測(cè)，利用GMC-20型壓力傳感器對(duì)次進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每2 h進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)。對(duì)煤層的超前支撐壓力進(jìn)行記錄分析，在皮帶的順槽超前工作面的100 m處安排一個(gè)測(cè)站，測(cè)站內(nèi)部布置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)當(dāng)距離工作面的長(zhǎng)度逐步減小，眼深的直徑為42 mm。對(duì)監(jiān)測(cè)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于3#、5#兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)有誤，所以僅對(duì)5個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的記錄數(shù)據(jù)如圖4所示。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

從圖4的支撐壓力監(jiān)測(cè)圖可以看出，在1#測(cè)點(diǎn)距工作面73 m左右時(shí)，支撐壓力為7.5 MPa。隨著1#測(cè)點(diǎn)距離工作面的距離逐步縮減的過程中，支撐壓力逐步增高；當(dāng)1#測(cè)點(diǎn)距離工作面9.5 m時(shí)支撐壓力最大達(dá)到15.8 MPa，隨后在測(cè)點(diǎn)距離工作面的長(zhǎng)度再度縮短后支撐壓力迅速降低；當(dāng)距離工作面小于1 m時(shí)，此時(shí)支撐壓力最小為4.12 MPa。2#測(cè)點(diǎn)在距離工作面72 m左右時(shí)，支撐壓力為7.1 MPa，隨著測(cè)點(diǎn)距離工作面的距離的縮進(jìn)，支撐壓力緩慢上升；在測(cè)點(diǎn)距離共勉10 m附近時(shí)，支撐壓力達(dá)到最大值16.9 MPa；之后隨著距離的減小，支撐壓力迅速減小，降到了3.2 MPa。4#測(cè)點(diǎn)和6#測(cè)點(diǎn)及7#測(cè)點(diǎn)都呈現(xiàn)出類似的趨勢(shì)，在70 m附近時(shí)，支撐壓力開始上升；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離工作面的距離在10 m附近時(shí)，支撐壓力都達(dá)到最大值，隨著測(cè)點(diǎn)距離工作面的距離的減小支撐壓力開始迅速下降，達(dá)到最小值。所以，測(cè)點(diǎn)的支撐壓力峰值出現(xiàn)在9.3～10.2 m的范圍內(nèi)，而影響的距離一般為工作面走向的70 m附近。

圖4 支撐壓力監(jiān)測(cè)

3 結(jié)論

(1)為了分析切頂卸壓的效果，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道的兩幫移近量和頂板底板的移近量進(jìn)行了一定的分析，發(fā)現(xiàn)在預(yù)留煤柱20 m下的切頂后的巷道兩幫移近量和頂板底板移近量分別減少了23%、16%，切頂卸壓的效果明顯。

(2)通過對(duì)不同的預(yù)留煤柱寬度下切頂卸壓的效果分析發(fā)現(xiàn)，隨著煤柱的尺寸增加，巷道的變形量有效的降低，但切頂卸壓的效果得到了削減，所以適當(dāng)?shù)目紤]煤柱的寬度和切頂卸壓的應(yīng)用可以有效降低巷道的變形量。

(3)通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)超前支撐壓力的監(jiān)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)超前支撐壓力峰值出現(xiàn)在9.3～10.2 m的范圍內(nèi)，而影響的距離一般為工作面走向的70 m附近，為切頂卸壓的作用距離提供了參考。